管道螺旋流断面流场及沿程流动特性

平轴螺旋管流作为一种新型的输沙方式,其流场特性能够使管道输送具有高浓度、低能耗、输送距离远和不淤积的优点。在试验的基础上,主要对局部起旋器产生的平轴圆管螺旋流的流场特性进行了探讨与研究,得出了起旋器出口后圆管螺旋流的流场规律：流速场切向流速在测试断面具有旋转的对称性,若不考虑管壁近壁区的影响,可认为切向流速在断面呈线性分布,而且随着流量的增加,切向流速也在增加;随着流程的增加,切向流速逐渐衰减。     

不同径高比动导叶旋流器的管流特性

浑水管道输水灌溉系统中,防泥沙淤积问题的技术措施为管道输水灌溉技术在渠灌区的推广应用提供技术支撑管。试验通过旋流器的作用产生螺旋流,以降低泥沙沉积的速度。通过试验分析了不同径高比导叶的旋流器在运动时产生的螺旋流旋流特性将圆管螺旋流看作是水泵产生外来压力的轴向Poiseuille流动和旋流器导叶强制导旋产生的周向Coutte流动,并将其流速分解为轴向流速,周向流速和径向流速。结果表明,测试断面的压力随着旋流器上导叶径高比的增加而增加;旋流器位于测试断面下游时的压力大于其位于测试断面上游时的压力;测试断面下游水流的轴向速度随导叶径高比的增加表现为先增大后减小的趋势。断面的轴向流速分布呈现类对数分布,在中心区域,即距管轴约小于2.5 cm的范围内,轴向流速较大,且相对比较均匀;在此范围以外受液体黏度影响,流速变化较快。其周向速度随导叶径高比的增加有先减小后增大的趋势,且在r_1rr_2(r_1距管轴约2 cm,r_2距管轴约3 cm)的主流区,周向速度具有强制涡的速度分布特征,该区域的速度值较大,水流旋转强度激烈。在rr_1,rr_2的准自由涡区,该区域速度值相对较小,尤其在管壁处,水流黏性的影响,速度最小。径向速度随导叶径高比的增加逐渐减小。同时,通过对涡量场的研究,得出了测试断面旋涡的大小和分布情况,进一步认识到流体运动的物理本质。     

渠底螺旋流形成及其流速结构的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术.渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物.在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流.为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论.     

立式轴流泵进水流场PIV测量

采用3D-PIV激光流速仪对立式轴流泵喇叭管和进水池内部流动进行了测量,2个典型流量工况下的测量结果表明:设计流量(Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈对称分布,断面轴向流速均匀度达到0.87,无旋涡发生,喇叭管内及泵叶轮进口水流流态良好;大流量(1.2Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈非对称分布,断面轴向流速均匀度仅0.70,流道及喇叭管内有较强的旋涡产生,并进入叶轮诱发振动。分析了旋涡核心区的细部流动结构,导出了旋涡的数字形态,揭示了涡核内水流圆周分速度的分布规律,涡核中心的流速接近为零,圆周分速随涡核半径增加而增大,在半径3~5 mm范围内速度梯度最大,旋涡的强迫涡特征十分明显。提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度及相应的计算公式,使过流断面流速均匀度的计算结果更为合理、更加符合实际。     

突扩明渠分离流中红鲫鱼运动的特点

为了探讨突扩明渠分离流中红鲫鱼运动的特点,通过特制的鱼类游泳行为观测装置,记录了红鲫鱼在多种流速条件下的运动轨迹,并且利用fluent计算了流场结构和涡量场。结果表明:鱼类在游动过程中对流速或涡量较大变化时会不断调整游动速度以适应水流变化。当所在区域流速、涡量变化非常小时,鱼类游动速度基本不改变,但在徘徊的过程中遇到流速大幅增大或大涡量时,鱼类会出现相应的快速响应情况。     

双向流道泵装置内三维流动数值模拟

为了防止和消除双向流道泵装置进水流道内的漩涡和涡带,确保水泵机组的安全运行,在双向进水流道底部泵进口下方加设曲线导流墩.通过CFD软件对设导流墩的双向流道泵装置内部流动进行数值模拟,获得泵装置内部的三维流动速度场,并预测了泵装置的性能.结合模型泵装置试验的内外特性,着重研究了双向进水流道的出口流速分布及其对泵装置性能的影响.计算结果表明加设导流墩的双向进水流道出口断面流速分布较为均匀,流速均匀度达到93％,满足水泵运行的需要;装置性能良好,最优工况点的装置效率为68.89％.模型试验观测显示导流墩的设置有效地防止水泵进口下方涡带的产生,在各种试验工况下进水流道内均未发现涡带,水泵运转平稳无振动,可保证机组安全可靠运行.比较进水流道出口流速分布的计算结果与模型试验结果,二者在总体结构上相近,数值模拟对泵装置性能预测结果在最优工况点与试验结果基本吻合.     

机翼形堰绕流流场的PIV测量

为了研究机翼形溢流堰流动特性并探讨其水力特性,利用粒子图像速度场仪（PIV）在水槽中测量了相对水头高度（H0/P）分别为1.05,1.25,1.37,1.48,1.54时堰高与堰长比（P/C）为0.30的某机翼形堰的绕流流场,获得了5种雷诺数（Re）下对应流场的速度矢量、流线和涡量图.试验结果表明：在不同相对水头高度或来流速度下,机翼形堰具有相同的溢流流动特性,其速度、涡量分布规律基本相同,流线近似平行,流动平稳,无明显的漩涡出现,其绕流流动类似＂贴体＂流动,试验中堰顶处主流最大速度为0.36 m/s,上游堰踵和下游堰趾处速度较主流速度小得多,其值大小为0.05 m/s,速度的降低有效减少了水流对堰面的冲刷.堰顶处涡量最大为19.12 m2/s,加快了堰顶水流能量的耗散;上游堰踵和下游堰趾涡量几乎为0,避免了堰踵与堰趾出现危害性负压.     

涡漩对迷宫流道灌水器水流流态的数值影响分析

为分析涡漩对迷宫流道灌水器内部水流流态的影响.借助Fluent软件对矩形、齿形、三角形、梯形4种形式灌水器流道内部水流流场进行模拟,并最大限度地保留流道内主流区的流线边界,确定出4种圆弧形抗堵性能良好的无涡流道结构模型.对上述无涡流道及相应的有涡流道模型进行速度场以及压力场的研究分析.结果表明,无涡迷宫流道内水流流态介...     

正态漏斗附近水沙数值模拟

针对水库淤积问题,设计了一种正态漏斗排沙装置,在水槽中开展水流试验。对正态漏斗附近水流-泥沙进行欧拉两相流模拟,用水流试验数据对数值模型进行验证,进而分析了不同边界条件下流速、涡量和相浓度场。结果表明,漏斗内部流速梯度较大,泥沙相浓度等值线呈V型不对称分布,漏斗前缘、左后侧和右后侧出现大涡量区。与锥形漏斗对比,正态漏斗近壁面流速大,水流阻力小,3种边界条件下平均涡量减小25.8%～27.2%,出口泥沙相浓度增大15.2%～16.5%,具有降低能量耗散、显著提高排沙效率的作用。     

立式轴流泵等圆出水管内流场试验

采用五孔探针对轴流泵圆形出水室和出水管内流场进行详细测试,研究了后导叶出流环量、泵轴旋转诱导和出水弯管二次流对流态的影响,分析流场形成机理,揭示流动规律．结果表明：后导叶出流环量较大,旋转方向与叶轮相同,泵轴对附近水体有明显的诱导作用,泵轴附近环量明显增大,出水室和出水管内的环量沿流程逐渐衰减,但衰减速度渐慢,整个出水管内水流都具有一定的环量．出水管内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,轴向均匀流和对称流的常规假定与实际不符．研究成果对轴流泵装置的优化水力设计,提高泵装置效率有重大意义．     

偏心文丘里流量计的试验与数值模拟

[目的]克服传统的文丘里流量计用于低压管道输水灌溉系统测流时上游侧容易产生淤积的问题.[方法]以直管段管径DN100、缩径比为0.35的偏心文丘里管为例,分别进行了实际测流试验及基于FLOW-3D的数值模拟研究,并对偏心文丘里管压力差及流出系数进行了对比分析.[结果]数值模拟的流出系数与试验流出系数基本一致,利用FLO...     

基于粒子群算法的低压管灌系统水力计算方法

为了应对水资源危机,中国大力推广低压管灌技术用于粮食作物的灌溉.基于水量平衡和能量守恒原理,以系统的水量偏差最小为目标函数,支管的能量守恒和水量平衡作为约束条件,支管进口流量为决策变量,建立了低压管道输水灌溉系统的一维恒定流水力模拟模型,并相应地提出了试算-粒子群算法(TPSA)进行求解,可以获得系统实际运行时水泵的工况点以及各级管道和出水口的实际流量.将该方法应用于上海市一灌区的低压管灌系统,对比了TPSA与梯度法的求解结果,证明在同时工作的支管数较多的情况下TPSA可以获得更佳的求解结果,误差最多可减小12.3%,耗时最多可减少16.3%.应用该方法可以对管灌系统的初步设计成果进行校核和调整,对提高设计可靠性具有一定作用.     

浙江省平原河网地下管道灌溉典型模式

浙江省平原河网地区地下管道灌溉发展比较快,在实践中逐步形成了以平湖市为代表的微压管道灌溉,以桐乡市为代表的低压管道灌溉两种典型模式。在对浙江平原河网农业灌溉条件和农业生产特征分析的基础上,对两种典型地下管道灌溉模式进行了总结分析,提出了今后浙江平原河网地下管道灌溉发展的建议。      

低压管灌在水田灌溉中应用研究

低压管灌多用于灌溉水浇地,灌溉水田并不多见,该文以通辽市某土地整治项目为例,阐述低压管灌在水田灌溉中的应用,提出在资金允许条件下,用水紧缺的井灌区尽量发展管灌水田。      

江苏省稻作区低压管道灌溉适宜控制规模研究

【目的】充分考虑工程经济性、实用性以及江苏省的现实情况,提出适合江苏省的低压管道输水灌溉工程的适宜控制规模。【方法】初步分析江苏省稻作区管道灌溉系统适宜控制规模的影响因素,建立灌溉管网的系统优化模型并采用界限流量法求解该模型。按照优化模型,估算出不同灌溉工程规模下的管网系统年费用,得到系统控制规模与单位面积年费用的关系。【结果】绘制系统控制规模与单位面积年费用关系图,在综合考虑工程建设投资和后期运行、管理和维护的情况下,建议管灌系统工程的适宜控制规模为23～30 hm2。【结论】根据现实情况适当选取管道灌溉工程的控制规模,对于节省工程投资以及工程运行后期的管理维护具有现实意义。     

井灌区低压环状管网优化设计方法的研究

本文对低压管道输水灌溉环状管网的经济性进行了分析研究,得出对集中轮灌的井灌区,在一定条件下环状管网优于树状管网的结论,推导出单环和双环管网流量分配系数公式和经济管径的通用计算公式。     

射流脉冲三通毛管灌水均匀性试验研究

为了提高低压滴灌系统灌水均匀性,基于附壁与切换原理发明了射流脉冲三通发生器,试验研究了不同压力工况下脉冲频率、脉冲振幅2种因素对灌水均匀系数、流量偏差率的影响,并分析了脉冲条件下毛管铺设长度和进口压力对灌水均匀性的影响.结果表明:在毛管铺设长度相同时,不同低压下射流脉冲三通灌水均匀系数的平均值比普通三通提高了0.65%,流量偏差率明显低于普通三通,平均降幅为3.62%;低压条件下产生脉冲频率高于200次/min,脉冲振幅高于2.5 m;相同压力条件下,灌水均匀系数随毛管铺设长度的增大而降低,流量偏差率随毛管铺设长度的增大而显著增大;毛管铺设长度相同时,灌水器流量随进口压力增大而增大,进口流量也会随之增大.     

搅拌滚筒内非牛顿流体的流场分析

针对混凝土这种典型的非牛顿流体中的宾汉流体,建立了其本构方程和流体力学模型.以有限元为依据,应用计算流体动力学技术,基于k-ε模型,利用Fluent软件计算了预拌混凝土在搅拌滚筒内的三维流场,数值模拟搅拌叶片螺旋角为73°时流场的流线和轴向出料速度,较为真实地反映了混凝土在滚筒内搅拌的实际情况.通过与搅拌叶片螺旋角为66°和80°的搅拌滚筒内流动的模拟计算比对,表明螺旋角为73°的叶片的搅拌性能和出料速度均优于其他螺旋角的搅拌叶片,能满足搅拌运输车的搅拌滚筒对拌料匀质、送料连续和低动力消耗的要求.同时进行了相应的试验比对,验证了模拟分析的正确性.该搅拌筒内非牛顿宾汉流体混凝土流动的数值模拟,表明基于k-ε模型的CFD数值模拟方法可以用于搅拌筒内混凝土这种非牛顿流体的搅拌过程的分析.     

导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性

将导叶片旋流器作为产生螺旋流的装置,采用理论分析和模型试验相结合的方法,对该旋流器下游断面的螺旋流流速特性进行了研究.研究结果表明:旋流器下游断面流速整体上关于管道圆心呈120°旋转对称分布.从管壁到管道断面中心旋流器下游断面的轴向流速逐渐增大,而周向流速和径向流速则均呈现先增大后减小的变化趋势.最大轴向速度位于管道断面中心处,最大周向流速位于距管壁约1cm处,最大的径向速度位于距管壁约2cm处.旋流器导叶片扭转角越大,在下游断面产生的螺旋流的周向流速、强度就越大,螺旋流的影响距离就越远.在距离旋流器导叶片后缘2m之前,螺旋流衰减较快,且随着旋流器的导叶片扭转角的增大,螺旋流衰减加快.研究成果可为进一步完善螺旋流旋流输送理论提供理论依据.